江蘺瓊脂堿法提取工藝模型的建立及應(yīng)用

謝杉玉，萬(wàn)博愷，朱艷冰，2，3，姜澤東，2，3，肖安風(fēng)，2，3，倪 輝，2，3，李清彪，2，3，蔣青香，于洋君，毛子劍

（1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門(mén)361021；2.福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)361021；3.廈門(mén)市食品生物工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén)361021）

0 引言

瓊脂（agar）又稱瓊膠，是從紅藻門(mén)紅藻綱中的大型海藻中提取的親水性膠體［1］，主要成分為瓊脂糖和瓊脂膠［2］，具有獨(dú)特的凝膠特性、增稠能力以及無(wú)毒、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可作為食品添加劑、培養(yǎng)基膠凝劑、制造藥用膠囊和合成綠色塑料包裝材料的替代品［3-5］等。大型經(jīng)濟(jì)藻類江蘺（Gracilaria japonica）［6］是生產(chǎn)瓊脂的主要原料，它富含瓊脂多糖，在我國(guó)福建和廣東等沿海省份廣泛種植，產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的63.38%［7-8］。

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)瓊脂的方法有堿提取法［9］、超聲高溫提取法［10］、光漂白提取法［11］、酶和酶輔助提取法［12］、微波輔助提取法［13］、超臨界流體萃取和加壓溶劑萃取［14］等。其中，堿提取法因操作簡(jiǎn)單且能夠顯著提高瓊脂的凝膠強(qiáng)度［15］，故在瓊脂生產(chǎn)中得到最普遍應(yīng)用。堿提取法可分為低溫濃堿法、中溫濃堿法和高溫稀堿法［16］，其中，高溫稀堿法工藝具有堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、耗堿量低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此，本研究采用高溫稀堿法提取江蘺瓊脂。在堿法提取瓊脂的過(guò)程中，條件控制不當(dāng)會(huì)造成瓊脂降解及引起凝膠性質(zhì)的變化［17］，且堿處理后江蘺吸收了一定的堿液，通過(guò)清洗后才能進(jìn)行瓊脂提取，消耗大量的清洗用水，清洗出來(lái)的堿由于濃度低而難以回收利用。因此，在保證瓊脂質(zhì)量和產(chǎn)量的同時(shí)，降低堿消耗量和后續(xù)清洗的用水量是堿處理工藝優(yōu)化需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

相關(guān)研究以硫酸根含量和凝膠強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行堿處理工藝優(yōu)化［18］。還有研究通過(guò)均勻設(shè)計(jì)對(duì)堿處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到瓊脂凝膠強(qiáng)度與堿處理三因素的回歸方程，通過(guò)該方程快速計(jì)算出生產(chǎn)不同凝膠強(qiáng)度瓊脂所需堿處理工藝條件［19］。雖然這些相關(guān)研究以瓊脂質(zhì)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)江蘺瓊脂堿提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并建立瓊脂質(zhì)量與堿提取工藝條件的回歸方程，但均沒(méi)有把堿處理工藝與堿消耗量、瓊脂質(zhì)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，導(dǎo)致工藝優(yōu)化時(shí)偏重瓊脂質(zhì)量，忽略了堿消耗引起的環(huán)境污染和耗水量增加問(wèn)題。若通過(guò)建立江蘺瓊脂質(zhì)量與堿消耗的模型，以多指標(biāo)瓊脂質(zhì)量要求計(jì)算堿處理工藝，可達(dá)到優(yōu)化傳統(tǒng)瓊脂提取工藝，降低堿消耗量的預(yù)期目標(biāo)。因此，本文建立了江蘺堿處理工藝對(duì)堿消耗與瓊脂質(zhì)量影響的關(guān)聯(lián)模型，優(yōu)化江蘺瓊脂生產(chǎn)過(guò)程中的堿處理工藝，以期解決傳統(tǒng)江蘺堿處理工藝偏重瓊脂質(zhì)量而忽略堿消耗及后續(xù)清洗耗水量大的問(wèn)題，為瓊脂生產(chǎn)節(jié)能降耗提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干江蘺，福建綠新食品有限公司；草酸、氯化鋇、氫氧化鈉、次氯酸鈉、1，1-乙縮醛和乙二胺四乙酸二鈉（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸鉀、濃鹽酸、間苯二酚、五水合硫酸銅和濃硫酸（分析純），西隴化工股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FE20K 酸度計(jì)，梅特勒-托利多公司；MS-H-Pro ＋加熱磁力攪拌器，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器北京有限公司；7200 分光光度計(jì)，尤尼柯上海儀器有限公司；SX2-2.5-10GY 馬弗爐，濟(jì)南精密儀器儀表有限公司；WGZ-2000 濁度計(jì)，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器北京有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 江蘺瓊脂的提取工藝

江蘺瓊脂的提取工藝流程為：江蘺預(yù)處理→堿處理→4 次水洗→酸化→3 次水洗→漂白→水洗→煮膠→過(guò)濾→凝膠→冷凍脫水→干燥→粉碎裝袋。

1）江蘺預(yù)處理。在實(shí)驗(yàn)前用自來(lái)水沖洗江蘺，去除泥沙及其他雜物，盡可能排除雜質(zhì)干擾后，置于通風(fēng)處晾干，于烘箱中60 ℃烘至恒重。

2）堿處理。配制1 500 mL 一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH 溶液（傳統(tǒng)工藝質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%）于燒杯中，加入已處理恒重的江蘺100 g，于一定溫度（傳統(tǒng)工藝溫度為90 ℃）水浴鍋中恒溫處理一定的時(shí)間（傳統(tǒng)工藝時(shí)間為3.0 h）。

3）水洗。將堿處理后的江蘺與堿液分離后，向江蘺中加入100 mL 清水進(jìn)行表面堿液的沖洗后放入燒杯中，加入1 500 mL 清水浸泡0.5 h，重復(fù)4 次（分別記為第1 級(jí)清洗、第2 級(jí)清洗、第3 級(jí)清洗和第4 級(jí)清洗）。

4）酸化。將清洗4 次后的江蘺撈出置于燒杯中，加入1 500 mL 清水后再分別加入0.65 mL 濃硫酸、0.96 g 草酸及0.19 g EDTA-Na2，混合均勻后，攪拌酸化0.5 h。

5）水洗。將酸化后的江蘺置于燒杯中，加入1 500 mL 清水浸泡、清洗至pH＝7。

6）漂白。向水洗至中性的江蘺中加入1 500 mL 有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的次氯酸鈉溶液，混合均勻，攪拌漂白0.5 h，倒去漂白液。

7）水洗。加入1 500 mL 清水進(jìn)行浸泡、清洗至pH＝7。

8）煮膠。將經(jīng)過(guò)以上處理的江蘺樣品置于燒杯中，加入1 500 mL 清水，于水浴鍋中100 ℃進(jìn)行煮膠2.0～3.0 h，并過(guò)濾得瓊脂膠液，冷卻至室溫形成凝膠。

9）冷凍脫水。將瓊脂凝膠切條，于冰柜中冷凍12.0 h，室溫解凍后，倒去水分。

10）干燥粉碎。將脫水后瓊脂條置于托盤(pán)中，于60 ℃烘箱中烘干10.0 h 后取出，用粉碎機(jī)粉碎成粉末狀，裝袋編號(hào)，得瓊脂粉樣品。

1.3.2 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)堿消耗與瓊脂質(zhì)量的影響

稱取100 g 江蘺樣品，加入1 500 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%的NaOH 溶液，于90 ℃下恒溫處理3.0 h。堿處理后其余步驟均按節(jié)1.3.1 進(jìn)行，得到各批次瓊脂樣品，檢測(cè)其質(zhì)量及理化性質(zhì)。

1.3.3 堿處理溫度對(duì)堿消耗與瓊脂質(zhì)量的影響

稱取100 g 江蘺樣品，加入1 500 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH 溶液，分別在50，60，70，80，90，100 ℃恒溫處理3.0 h。堿處理后其余步驟均按節(jié)1.3.1 進(jìn)行，得到各批次瓊脂樣品，并檢測(cè)其質(zhì)量及理化性質(zhì)。

1.3.4 堿處理時(shí)間對(duì)堿消耗及瓊脂質(zhì)量的影響

稱取100 g 江蘺樣品，加入1 500 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaOH 溶液，在90 ℃條件下分別處理0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h。堿處理后其余步驟均按節(jié)1.3.1 進(jìn)行，得到各批次瓊脂樣品，并檢測(cè)其質(zhì)量及理化性質(zhì)。

1.3.5.1 堿處理過(guò)程中NaOH 消耗量的測(cè)定

堿液消耗包括江蘺所吸收的堿量及反應(yīng)消耗的堿液。

1）堿處理過(guò)程中江蘺吸收堿液消耗量為

其中：m1為江蘺吸收堿液消耗量（g）；c2為反應(yīng)后堿液的物質(zhì)的量濃度（mol／L）；V3為江蘺吸收的堿液體積（L）；m0為NaOH 的摩爾質(zhì)量（g／mol）。

2）堿處理過(guò)程中反應(yīng)堿液消耗量為

其中：m2為反應(yīng)堿消耗量（g）；c2為反應(yīng)前堿液的物質(zhì)的量濃度（mol／L）；V1、V2分別為反應(yīng)前、反應(yīng)后堿液的體積（L）。

3）堿液消耗量為

1.3.5.2 瓊脂出膠率的測(cè)定

現(xiàn)在很多高科技護(hù)理設(shè)備都在婦科護(hù)理當(dāng)中得到了應(yīng)用,很多較為先進(jìn)的管理理念和管理知識(shí)也在婦科護(hù)理當(dāng)中起到了作用,面對(duì)這些較為先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)護(hù)理人員也應(yīng)該及時(shí)更新自身的知識(shí)儲(chǔ)備,提高自己的專業(yè)水平,緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐。但是就目前很多的護(hù)理人員在專業(yè)水平來(lái)說(shuō)是極為有限的,這其中很多人都是才從大學(xué)畢業(yè)出來(lái)的學(xué)生,在工作經(jīng)驗(yàn)方面會(huì)有很多的不足之處,另外一部分是經(jīng)驗(yàn)較為豐富的護(hù)理人員,他們因?yàn)樵谝呀?jīng)從事多年的護(hù)理工作,在經(jīng)驗(yàn)方面是比較豐富的,但是很難跟上這個(gè)社會(huì)的快節(jié)奏,不能很快的對(duì)于新的設(shè)備、技術(shù)等進(jìn)行接受。所以很大程度上來(lái)說(shuō)護(hù)理人員的專業(yè)水平是比較有限的,這就很容易導(dǎo)致很多安全隱患問(wèn)題的出現(xiàn)。

將江蘺瓊脂及江蘺烘干至恒重，利用式（4）計(jì)算出膠率：

1.3.5.3 凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

參照GB 1975—2010 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑瓊脂（瓊膠）》 的方法。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊膠溶液，等量倒入2 個(gè)100 mL 燒杯中冷卻，待凝膠形成后蓋上表面皿，室溫倒置放置15.0 h，在凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀上測(cè)定凝膠強(qiáng)度。凝膠強(qiáng)度以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%瓊膠（干基計(jì)）凝膠在15～20 s 內(nèi)抗破法碼的質(zhì)量與裝置桿下端的表面積比值表示，單位為g／cm2。

1.3.5.4 透明度的測(cè)定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊膠溶液，趁熱（高于85 ℃）倒入比色皿中，用紫外分光光度計(jì)在400～800 nm 間掃描，確定最大吸收波長(zhǎng)為750 nm，在750 nm 處測(cè)定樣品的透光率。

1.3.5.5 硫酸根含量的測(cè)定

使用硫酸鋇比濁法［20］。稱取105 ℃烘至恒重的K2SO4粉末，用1.0 mol／L 鹽酸定容配制0.12 g／L的硫酸根溶液，分別取硫酸根溶液0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL 于試管中，用1.0 mol／L 鹽酸補(bǔ)至1.0 mL，加入3.0 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的吐溫-BaCl2溶液，混勻后靜置10 min，于360 nm 下測(cè)定吸光度值，制作硫酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線。

稱取樣品瓊脂0.05 g，加入25 mL 1 mol／L 的鹽酸，105 ℃下消化5.0 h，經(jīng)脫色過(guò)濾后得澄清消化液。取1.0 mL 消化液，按上述方式處理稀釋后，測(cè)定其吸光度值，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算樣品硫酸根含量。

1.3.5.6 3，6-內(nèi)醚含量的測(cè)定

使用間苯二酚法［21］。配制1.5 g／L 的間苯二酚溶液100 mL，于冰箱4 ℃保存。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的1，1-乙縮醛溶液稀釋液100 mL，置于棕色試劑瓶中，于冰箱保存。比色前取間苯二酚溶液9 mL、1，1-乙縮醛溶液1 mL 與12 mol／L 的濃鹽酸100 mL 混合均勻備用。

配制25 mg／L 的果糖稀釋液貯存?zhèn)溆茫謩e取0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL 果糖稀釋液于10.0 mL 的具塞試管中，用去離子水補(bǔ)足至1.0 mL。另取1.0 mL 去離子水為空白，蓋上塞子置冰水浴中5 min。分別取5 mL 新配制的間苯二酚試劑于各試管中，在冰水浴中振蕩搖勻，置80 ℃恒溫水浴15 min，取出置于冰水浴中1.5 min，在554 nm 的波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度值，制作果糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

稱取0.03 g 瓊脂樣品，完全溶解后定容至1 000 mL。取1.0 mL 溶液，按上述方式處理后，測(cè)定吸光度值，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算樣品3，6-內(nèi)醚含量。

1.3.6 堿處理工藝對(duì)瓊脂質(zhì)量和堿消耗影響模型的建立

根據(jù)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理溫度和堿處理時(shí)間對(duì)瓊脂質(zhì)量和堿消耗量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別作堿處理工藝對(duì)凝膠強(qiáng)度、透明度、3，6-內(nèi)醚含量、硫酸根含量、出膠率、堿消耗量、江蘺反應(yīng)消耗堿量和江蘺吸收堿量的關(guān)系方程，并轉(zhuǎn)換成矩陣方程，繼而根據(jù)決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE 來(lái)判斷模型建立的合理性。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

通過(guò)Microsoft Office Excel 2013 軟件計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并繪制折線圖，通過(guò)SPSS 19.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析（P＜0.05）。通過(guò)Microsoft Office Excel 2013 軟件作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性方程，并轉(zhuǎn)換成矩陣方程，構(gòu)建瓊脂質(zhì)量影響因素動(dòng)力學(xué)模型，并由決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE 來(lái)判斷模型擬合度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)堿消耗及瓊脂質(zhì)量的影響

堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)是江蘺瓊脂生產(chǎn)的重要參數(shù)，會(huì)影響瓊脂的質(zhì)量和瓊脂對(duì)堿的消耗量。目前，工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用7%以上的NaOH 進(jìn)行堿處理，導(dǎo)致大量的堿殘留在江蘺中，引起堿損失及環(huán)境污染。不同堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)江蘺瓊脂質(zhì)量和堿消耗量的影響結(jié)果如圖1 所示，可見(jiàn)，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，江蘺吸收堿液消耗量與硫酸根反應(yīng)堿消耗量均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～8%時(shí)，反應(yīng)堿消耗量無(wú)顯著變化，但江蘺吸收堿消耗量仍呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。根據(jù)節(jié)1.3.5.5 和節(jié)1.3.5.6 方法得到硫酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y＝0.460 4X-0.002 4（R2＝0.998 9），果糖標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y＝0.807 7X ＋0.035 5（R2＝0.993 9），通過(guò)計(jì)算，得到堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瓊脂理化指標(biāo)的影響結(jié)果如表1 所示。由表1可見(jiàn)，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，瓊脂的凝膠強(qiáng)度、透明度與3，6-內(nèi)醚含量均呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；瓊脂硫酸根的含量隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升先下降后趨于平緩。該結(jié)果與文獻(xiàn)［22］對(duì)紅藻石花菜提取瓊脂的研究結(jié)果一致。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是，堿處理過(guò)程中江蘺瓊脂中的硫酸根在NaOH 的反應(yīng)下被除去，增加了凝膠強(qiáng)度［23］。此外，去除硫酸根會(huì)導(dǎo)致3，6-內(nèi)醚的生成，而瓊脂的凝膠強(qiáng)度取決于3，6-內(nèi)醚的含量［24］，該反應(yīng)使江蘺瓊脂內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu)［25］更加緊密，故凝膠強(qiáng)度上升。瓊脂的出膠率則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，出膠率達(dá)到最高為13.16%，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%時(shí)，江蘺的出膠率有所下降。這可能是由于堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，使分子質(zhì)量較低的瓊脂提前溶出損失，導(dǎo)致江蘺瓊脂的出膠率降低。

圖1 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)堿液消耗量的影響Fig.1 Effects of alkali concentration on alkali consumption

表1 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瓊脂理化指標(biāo)的影響Tab.1 Impact of alkali concentration on physicochemical indexes of agar

2.2 堿處理溫度對(duì)堿消耗及瓊脂質(zhì)量的影響

堿處理溫度對(duì)瓊脂質(zhì)量和堿消耗具有重要影響。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，常在90 ℃條件下進(jìn)行堿處理，一方面可能加快堿水解硫酸酯的速度，另一方面會(huì)加快堿液進(jìn)入江蘺的速度，從而增加堿處理后江蘺中的堿殘留量。

不同堿處理溫度對(duì)瓊脂質(zhì)量和堿殘留量的影響結(jié)果如圖2 所示，可見(jiàn)，隨著堿處理溫度的上升，每噸江蘺瓊脂產(chǎn)品硫酸根反應(yīng)堿消耗量從0.59 t 持續(xù)增加至0.81 t，但當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃后，上升趨勢(shì)平緩。江蘺吸收堿消耗量的變化趨勢(shì)與硫酸根反應(yīng)堿消耗相似，隨著堿處理溫度的升高江蘺吸收堿消耗量呈現(xiàn)先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，從1.26 t 上升至1.41 t。堿處理溫度對(duì)瓊脂理化指標(biāo)的影響結(jié)果如表2 所示，可見(jiàn)，隨著堿處理溫度的上升，江蘺瓊脂凝膠強(qiáng)度從754.15 g／cm2上升至1 045.16 g／cm2，瓊脂透明度從83.4%升至92.9%，并于90 ℃時(shí)達(dá)到最高。該結(jié)果與Wang等［16］研究江蘺瓊脂理化性質(zhì)隨堿處理溫度上升的變化趨勢(shì)一致。同時(shí)，3，6-內(nèi)醚及硫酸根含量分別隨著堿處理溫度的升高呈現(xiàn)持續(xù)上升和持續(xù)下降的趨勢(shì)；江蘺瓊脂的出膠率則隨堿處理溫度的升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并于90 ℃時(shí)達(dá)到最高，出膠率為12.49%。Yousefi 等［26］采用波斯灣產(chǎn)的江蘺提取瓊脂，發(fā)現(xiàn)不同的提取溫度對(duì)瓊脂的產(chǎn)量有顯著影響，在80 ℃的提取條件下可得到較高的瓊脂產(chǎn)量，且在不同的提取溫度下，凝膠強(qiáng)度和硫酸根的含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與本文研究結(jié)果相似。

圖2 堿處理溫度對(duì)堿液消耗量的影響Fig.2 Effects of alkali treating temperature on alkali consumption

表2 堿處理溫度對(duì)瓊脂理化指標(biāo)的影響Tab.2 Impact of alkali treating temperature on physicochemical indexes of agar

2.3 堿處理時(shí)間對(duì)堿消耗及瓊脂質(zhì)量的影響

堿處理時(shí)間一方面會(huì)影響江蘺中硫酸酯的水解程度，另一方面也會(huì)引起江蘺中瓊脂糖苷鍵水解，還會(huì)影響江蘺中堿殘留量。如圖3 所示，隨著堿處理時(shí)間的增加，總耗堿量不斷增大，硫酸根反應(yīng)消耗堿量先增加后趨于平穩(wěn)（3.5 h 達(dá)到最大，消耗量為0.93 t），江蘺吸收堿量也呈現(xiàn)先增加后平緩的變化趨勢(shì)（3.5 h 達(dá)到最高，吸收量為1.38 t）。堿處理時(shí)間對(duì)瓊脂理化指標(biāo)的影響結(jié)果如表3 所示，可見(jiàn)，隨著堿處理時(shí)間的增加，江蘺瓊脂的凝膠強(qiáng)度及透明度呈先上升后趨于平緩的趨勢(shì)，其中凝膠強(qiáng)度由804.19 g／cm2上升至1 035.16 g／cm2，透明度由83.2%上升至92.7%。出膠率在3.0 h 達(dá)到最高為12.79 %，之后隨著堿處理時(shí)間的增加，出膠率反而下降。這是由于堿處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，部分瓊脂溶于堿溶液中，造成瓊脂的流失［27］。隨著堿處理時(shí)間的增加，NaOH 與江蘺瓊脂中的硫酸基團(tuán)反應(yīng)更加完全，硫酸根含量從8.64%降至2.45%，3，6-內(nèi)醚的含量從30.5%升至38.4%，本研究結(jié)果與Arvizu-Higuera 等研究瓊脂各指標(biāo)變化的趨勢(shì)相似［28］。

圖3 堿處理時(shí)間對(duì)堿液消耗量的影響Fig.3 Effects of alkali treating time on alkali consumption

表3 堿處理時(shí)間對(duì)瓊脂理化指標(biāo)的影響Tab.3 Impact of alkali treating time on physicochemical indexes of agar

2.4 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理溫度和堿處理時(shí)間對(duì)堿消耗和瓊脂質(zhì)量影響的模型構(gòu)建

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理溫度和堿處理時(shí)間對(duì)瓊脂質(zhì)量、堿消耗量的影響模型分別如式（5）和式（6）所示：

其中：X1為堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；X2為堿處理時(shí)間（h）；X3為堿處理溫度（℃）；Y1為凝膠強(qiáng)度（g／cm2）；Y2為透明度（%）；Y3為3，6-內(nèi)醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；Y4為硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；Y5為出膠率（%）；Y6為堿液消耗量（t）；Y7為江蘺反應(yīng)堿液消耗量（t）；Y8為江蘺吸收堿量（t）。

實(shí)驗(yàn)值與模型的擬合度主要由決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE 來(lái)判定。為了驗(yàn)證上述建立的模型，利用上述21 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型擬合，結(jié)果如表4 所示。相關(guān)理論指出，R2越大，RMSE 越小，實(shí)驗(yàn)值與模型的擬合度越好［29-30］，通常以R2值介于0.300～1.000 被認(rèn)為有意義。根據(jù)這些理論，本研究的R2在0.52～0.99，除凝膠強(qiáng)度外的其他指標(biāo)的RMSE 值在0.14～4.82。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，凝膠強(qiáng)度、透明度、3，6-內(nèi)醚、硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)、出膠率、堿消耗量與不同堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理時(shí)間和堿處理溫度的相關(guān)系數(shù)R2相對(duì)較高，RMSE 相對(duì)較低，其中，堿消耗量擬合的R2值較高，RMSE 值最低，故堿消耗量與堿處理工藝的擬合度最好；出膠率R2值較小，所以出膠率與堿處理工藝的擬合度略低于堿消耗量；3，6-內(nèi)醚和硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有較高的R2值，且二者質(zhì)量指標(biāo)的RMSE 值較高，所以3，6-內(nèi)醚含量、硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)與堿處理工藝的擬合度次于出膠率與堿處理工藝的擬合度；透明度的RMSE 值雖低，但是R2值也低，所以透明度與堿處理工藝的擬合度低于前者瓊脂質(zhì)量指標(biāo)的擬合度；凝膠強(qiáng)度R2值雖然較佳，但RMSE 值高于其他質(zhì)量指標(biāo)，表明模型擬合的值較真實(shí)值偏差較大，所以凝膠強(qiáng)度與堿處理工藝的擬合度在6 個(gè)質(zhì)量指標(biāo)中是最低的。

表4 堿處理工藝對(duì)堿消耗和瓊脂質(zhì)量影響動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果Tab.4 Kinetic model fitting results of alkali treatment on alkali consumption and agar quality

2.5 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理溫度和堿處理時(shí)間對(duì)堿消耗和瓊脂質(zhì)量影響模型的應(yīng)用

根據(jù)擬合的堿處理工藝對(duì)瓊脂質(zhì)量和堿消耗影響模型，對(duì)目前工業(yè)化生產(chǎn)中常用工藝條件下（堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，處理溫度為90 ℃，處理時(shí)間為3.0 h）的瓊脂質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果如表5所示。由表5 可見(jiàn)，無(wú)論用哪個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬，所得到的瓊脂產(chǎn)品凝膠強(qiáng)度、透明度、3，6-內(nèi)醚、硫酸根含量和出膠率都與目前生產(chǎn)工藝條件下獲得瓊脂質(zhì)量相當(dāng)，其中，當(dāng)以透明度為指標(biāo)模擬優(yōu)化時(shí)，解矩陣方程得到堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、堿處理時(shí)間為3.0 h、堿處理溫度為87 ℃，在此條件下每生產(chǎn)1.00 t 瓊脂堿消耗量最?。?.99 t）。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每生產(chǎn)1.00 t 瓊脂堿消耗量（1.83 t）與預(yù)測(cè)值相差小于8%，其中反應(yīng)堿量（0.73 t）與預(yù)測(cè)值相差小于3%，吸收堿消耗量（1.10 t）與預(yù)測(cè)值相差小于11%，說(shuō)明模型擬合值與實(shí)際測(cè)量值基本一致。相比目前工業(yè)每生產(chǎn)1.00 t 瓊脂的耗堿量（2.08 t），可節(jié)省12.02%左右的堿。此外，該工藝江蘺中殘堿量為1.10 t，相比目前工業(yè)每生產(chǎn)1.00 t 瓊脂吸收堿量（1.30 t），減少了15.38%左右的堿，有利于減少后續(xù)清洗殘堿的用水量。因此，采用該模型優(yōu)化得到的工藝，不僅可以減少耗堿量，還可以減少后續(xù)清洗用水量。

表5 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理時(shí)間和堿處理溫度對(duì)江蘺瓊脂質(zhì)量和堿消耗量的影響Tab.5 Effects of alkali treating concentration，time and temperature on Gracilaria agar quality and alkali consumption

采用模型優(yōu)化得到的江蘺瓊脂提取堿處理工藝，不僅瓊脂質(zhì)量與目前企業(yè)生產(chǎn)品質(zhì)相當(dāng)，且生產(chǎn)單位瓊脂產(chǎn)品所消耗堿量降低。瓊脂提取耗堿量的降低，直接減少后續(xù)清洗耗水量，有利于提高江蘺瓊脂綠色生產(chǎn)水平。

此外，該模型還可以用于快速預(yù)測(cè)不同質(zhì)量瓊脂的生產(chǎn)工藝，如要生產(chǎn)凝膠強(qiáng)度為935.53 g·cm-2、透明度為90.1%、硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.51%的瓊脂產(chǎn)品，代入擬合模型，即可解得3 種不同的堿處理工藝，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.8%，4.7%，5.1%，堿處理時(shí)間分別為1.4，2.3，2.2 h，堿處理溫度分別為69，73，83 ℃。依據(jù)模型計(jì)算生產(chǎn)單位瓊脂產(chǎn)品堿消耗量分別為1.67，1.77，1.83 t，其中江蘺吸收堿量分別為1.10，1.13，1.16 t。相比之下，第1 種堿處理工藝堿消耗量最低。因此，本研究建立的模型，不僅能夠減少江蘺瓊脂的堿消耗量，還可以對(duì)瓊脂生產(chǎn)過(guò)程的瓊脂質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同堿處理?xiàng)l件下江蘺瓊脂的凝膠強(qiáng)度、透明度、3，6-內(nèi)醚含量、硫酸根含量、出膠率和堿消耗量等，建立了堿處理工藝對(duì)瓊脂質(zhì)量和堿消耗量影響的模型。運(yùn)用模型優(yōu)化得到堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿處理時(shí)間和堿處理溫度分別為6%、3.0 h 和87 ℃。與目前瓊脂工業(yè)生產(chǎn)相比，堿消耗量和江蘺中殘堿量分別降低12.02%和15.38%。因此，該模型不僅可以用于優(yōu)化堿處理工藝，減少江蘺瓊脂生產(chǎn)過(guò)程中的堿消耗量和耗水量，同時(shí)還可用于精準(zhǔn)優(yōu)化不同品質(zhì)的瓊脂堿處理工藝參數(shù)，為建立綠色和精準(zhǔn)的瓊脂生產(chǎn)工藝提供參考。